So sánh tính chất của các sensor oxy kiểu clark được chế tạo từ các vật liệu điện cực khác nhau

Nội dung của bài báo nhằm vào việc chế tạo sensor oxy trên cơ sở các điện cực làm việc làm từ các loại vật liệu khác nhau với các kích thước thay đổi đến cỡ vài chục micromet, so sánh tính chất và độ nhạy, độ lặp lại của chúng trong các đo đạc trong phòng thí nghiệm và trên các mẫu thực tế. Mời các bạn tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
So sánh tính chất của các sensor oxy kiểu clark được chế tạo từ các vật liệu điện cực khác nhau TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Tập 48, số 1, 2010 Tr. 113-118 SO SÁNH TÍNH CHẤT CỦA CÁC SENSOR OXY KIỂU CLARK ĐƯỢC CHẾ TẠO TỪ CÁC VẬT LIỆU ĐIỆN CỰC KHÁC NHAU VŨ THỊ THU HÀ, ĐẶNG THỊ TỐ NỮ 1. GIỚI THIỆU CHUNG Như chúng ta đã biết, oxy hòa tan (DO) là một trong những thông số quan trọng trong đánh giá môi trường nước, quá trình trong công nghệ sinh học như lên men trong bể phản ứng sinh học, nuôi trồng thuỷ sản (tôm cá...), bể xử lí môi trường bằng các quá trình khác nhau (hiếu khí, yếm khí...). Có nhiều phương pháp xác định DO như chuẩn độ bằng phương pháp Winkler, đo bằng sensor điện hóa, đo bằng sensor quang học... Trong số các phương pháp này thì việc sử dụng sensor là phổ biến, trong đó sensor oxy theo kiểu Clark được sử dụng rộng rãi nhất trong các phân tích cơ bản, kiểm tra sự lên men và phát triển biosensor [1]. Trong nhiều năm qua, nhóm nghiên cứu đã tập trung vào lĩnh vực đo đạc môi trường, chế tạo các loại sensor, máy đo, tự động hóa các quá trình đo bằng máy vi tính [2, 3]. Nội dung của bài báo nhằm vào việc chế tạo sensor oxy trên cơ sở các điện cực làm việc làm từ các loại vật liệu khác nhau với các kích thước thay đổi đến cỡ vài chục micromet, so sánh tính chất và độ nhạy, độ lặp lại của chúng trong các đo đạc trong phòng thí nghiệm và trên các mẫu thực tế. 2. THỰC NGHIỆM Các loại vật liệu được sử dụng để chế tạo điện cực làm việc cho sensor oxy gồm dây platin (đường kính 0,5 mm – Sensor I), dây vàng (1,5 mm – Sensor II), sợi vàng kích thước micro (25 µm – Sensor III) dạng đơn và dạng tổ hợp (Sensor IV). Cách chế tạo các vi điện cực vàng của cả hai dạng này được trình bày trong các nghiên cứu khác của cùng nhóm tác giả [4, 5]. Về cơ bản, cấu hình của sensor oxy chế tạo được được trình bày trên hình 1. Điểm khác nhau giữa các loại sensor khảo sát chỉ là phần điện cực làm việc, nơi xảy ra phản ứng trao đổi điện tử của oxy. Để khảo sát tính chất điện hóa của sensor tự chế tạo, tính chất của điện cực làm việc được khảo sát riêng rẽ. Với tất cả các loại vật liệu sử dụng trong nghiên cứu, sau khi điện cực làm việc đã được chế tạo, chúng được đánh bóng cơ học, rửa trong etanol và nước cất, làm khô bằng nitơ trước khi quét thế tuần hoàn (CV) để hoạt hóa điện cực. Việc hoạt hóa được tiến hành trong bình điện phân ba điện cực: điện cực làm việc, điện cực đối Platin và điện cực so sánh Ag/AgCl với môi trường điện li là H2SO4 0,5 M, khoảng quét thế thay đổi tùy theo từng vật liệu. Số các chu kì quét được kết thúc khi tín hiệu thu được đạt được giá trị dòng ổn định. Phép đo von-ampe tuần hoàn được sử dụng để kiểm tra tính chất thuận nghịch của điện cực. Tiến hành quét CV với các tốc độ quét 10 mV/s, 50 mV/s, 100 mV/s trong khoảng thế từ 0,05 V đến -0,55 V trong dung dịch K3Fe(CN)6 5 mM với KCl 0,5 M. Để tạo thành sensor, điện cực làm việc được lồng vào thân sensor, bơm dung dịch KCl 0,1 M vào buồng chứa và bọc màng chọn lọc oxy. Màng được bọc căng và đồng đều để đảm bảo khả năng thẩm thấu của oxy qua màng đạt tối đa. Dây Ag trần được dùng làm điện cực so sánh dạng Ag/AgCl trong KCl. 113 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Điện cực làm việc Rãnh giữ gioăng cao su Dây Ag (điện cực so sánh) Ống nhựa PVC chịu hóa học Epoxy Dây dẫn điện Thân sensor (nhựa PVC) Buồng chứa chất điện phân 8 Hình 1. Sơ đồ cấu tạo của sensor oxy tự chế tạo Đo đáp ứng dòng theo thời gian của các sensor chế tạo được trong không khí và trong dung dịch không oxy (dung dịch Na2SO3 bão hòa) để khảo sát độ lặp và thời gian đáp ứng của chúng. Các hàm lượng DO trong quá trình thực nghiệm được kiểm soát bằng việc thay đổi thời gian sục nitơ trong nước cất bão hòa với các khoảng thời gian khác nhau, sau đó nồng độ oxy hòa tan được chuẩn độ bằng phương pháp Winkler và đồng thời được đo bằng các sensor tự chế tạo để khảo sát độ tuyến tính của chúng. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Khảo sát độ lặp lại, thời gian đáp ứng và độ ổn định Một tiêu chí quan trọng của sensor khi hoạt động là cần có độ lặp lại cao, tức là sự thay đổi tín hiệu phải như nhau trong các lần đo tại cùng một dung dịch và có độ nhạy cao với chất phân tích. Sự thay đổi giá trị dòng thu được của sensor theo thời gian trong 10 chu kì khi đặt chúng lần lượt trong không khí và trong dung dịch Na2SO3 dư với các điện cực làm việc khác nhau đã được trình bày trong [6]. Với cả 4 trường hợp, giá trị dòng i sai khác không đáng kể trong 10 chu kì. Thời gian đáp ứng là một trong những thông số quan trọng nhất của một sensor. Nó được định nghĩa là khoảng thời gian cần thiết để dòng của hệ đo đạt được 90% giá trị dòng cân bằng. Các phép đo để xác định thời gian đáp ứng của sensor oxy cũng được tiến hành. Theo [7], thời gian đáp ứng trung bình đo được cho cả bốn loại sensor khảo sát được xác định và thể hiện trong bảng 1. Để khảo sát tính năng của sensor DO, tiến trình đo hoàn toàn tự động. Kết quả được thể hiện trên hình 2. Đầu tiên đo dòng dư của các sensor, sau đó đo ...